声波的“单行道”——声二极管的理论与实验研究

作为第一个可实现电整流的器件,电子二极管的发明标志着现代电子学的诞生,并在全球范围内引发了各个领域内的革命,最终深刻地改变了我们的整个生活.声波作为一种重要的经典波,具有比电磁波更为悠久的研究历史及更为普遍的存在形式.因此,若能设计并实现一种可像电子二极管控制电流那样对声能量进行整流的声学器件,这将对声学的器件制造、实际应用乃至整个声学研究领域都产生重大影响,其学术意义及应用价值的重要性不言而喻.文章详细介绍了利用超晶格与非线性声学材料构成的声二极管的理论与实验方面的最新研究进展.     

单向声传播结构研究

受到电子二极管整流效应的启发,对单向声传播结构展开了一系列的理论与实验研究：将超晶格结构与非线性声学材料组合构成了可实现声整流效应的声二极管结构;通过将反对称弹性结构引入到复合结构板来产生Lamb波的不对称模式转化,设计了可实现Lamb波单向传播的线性声学结构;基于声子晶体的部分禁带特性,在有限尺度声学系统中设计并实现了单向声学波导结构;设计并实现了由纯板与声栅构成的声单向传播结构,具有小尺寸与高效率的特点,且声波出射角度可调;基于声学梯度材料设计了可在极宽频带内实现不对称声传播的声学结构。     

半导体超晶格声子激光器的研究进展

太赫兹频率的相干声子在纳米尺度器件的探测和操控领域具有重要的应用价值。半导体超晶格声子激光器是实现太赫兹频率相干声子源稳定输出的重要途径。本文首先回顾了GHz到THz频率范围声学放大的多种方法,然后详细阐述了超晶格声子放大、超晶格声学布拉格镜的工作原理与设计方法以及声子激光器的阈值条件,同时总结了电抽运和光抽运结构器件的研究现状,最后简要讨论了亚太赫兹声子激光器在声-电子领域的应用。分析表明,这种能够产生强相干太赫兹声子的半导体超晶格声子激光器在纳米尺度器件的探测与成像等方面具有广阔的发展前景。     

声操控微粒研究进展*

声操控微粒是利用声波与微粒之间动量和能量交换产生的声辐射力操纵微粒的运动,具有非接触、生物兼容性好、无需对微粒进行化学生物标记、装置简单易集成等优点,在精密制造、精准医疗等领域具有广阔的应用前景,是当前操控领域的研究热点。该文主要综述最近十年声辐射力理论研究、声场调控方法以及微粒操控形式等方面的研究工作,并对声操控的未来发展方向进行了展望。     

声波在双层非线性介质中传播的二极管现象

假设声波在双层一维非线性系统中传播时线性部分满足波动方程,非线性部分类似于非线性薛定谔方程的非线性部分.对该模型正反两个方向分别入射相同的声波计算透射率发现:一定频率及强度的声波在模型中具有单向透过性,表现出声二极管的行为;随着非线性强度差异的增强,单向导通性显著提高.     

具有单相单向换能器的水平剪切声表面波压力传感器插入损耗特性

为实现水平剪切声表面波压力传感器低损耗设计,系统研究了均匀叉指换能器(IDT)和单相单向换能器(SPUDT)器件的声波能量损耗性能。在确定最优反射系数的SPUDT结构的基础上,建立3D周期性有限元仿真模型,计算器件表面振动位移和双向输出电压瞬态响应。通过对电压信号进行傅里叶变换获得器件模型的插入损耗,并制备两种不同换能器的声学传感器,测试其频率特性和灵敏度。与均匀IDT相比,基于SPUDT器件插入损耗的仿真和实验结果分别降低了5.2 dB和5.6 dB,SPUDT器件灵敏度约为均匀IDT器件的两倍。结果表明,SPUDT能有效降低SH-SAW压力传感器声波能量的单向损耗,提高检测灵敏度,且构建的3D周期性有限元仿真模型有助于声学传感器的声波损耗分析,实现高精度和小型化的声学测量系统。      

基于亚波长管道增强的漩涡声场悬浮操控微粒和液滴的实验研究

声悬浮技术可以在无接触的情况下操控微粒和液滴,因此已被广泛应用于化学分析、液滴动力学和生物反应器等领域.目前声悬浮技术的主要工作是在开放环境中进行悬浮等操控.本文提出了亚波长管道增强型空气声镊的概念,利用亚波长声波导管进行声场操控及微粒和液滴悬浮.通过4个小型换能器激发有限长度亚波长圆波导管的单一低阶声学模态,可以在有限长度的波导管内产生漩涡声场.实验发现由于亚波长结构对声场的增强作用,亚波长管道增强的漩涡声场在径向和轴向悬浮力大小上均有较大提升,因此可对发泡聚苯乙烯颗粒和水滴实施悬浮和自转等操控.这项工作将亚波长声波导管的概念引入声场操控中,有望加深对声场和物质相互作用的物理理解,开发新型小型化悬浮微粒和液滴的声学操纵器件.     

共形Mikaelian声透镜设计*

该文研究了利用共形变换设计声学器件的一般方法,在此基础上根据普通Mikaelian透镜的折射率分布规律,利用指数映射设计出了弧形的Mikaelian透镜,分析并讨论了弧形透镜的密度、模量和折射率分布规律。对160 k Hz的声波进行了仿真实验,仿真结果表明,在弧形透镜的理论预测焦点处出现能量汇聚的现象,即实现了弧形聚焦的效果。同时,声波在经过该透镜后传播方向产生了一定角度的偏转。该工作为实现弧形声学器件提供了理论方法,在水下声探测及水下声通讯等方面有着潜在的应用。     

基于二硫化钼的可调一维声子晶体

声子晶体所具有的负折射率、 局域缺陷态与弹性波带隙等特性, 使其在声学隐身、 声学波导以及减震降噪等方向展现了巨大的潜力. 同时, 二硫化钼优异的电学和力学性能使其成为制备纳米机电器件的理想材料. 将单层二硫化钼转移到预先图案化的周期性结构上, 可以制备出纳米尺度的声子晶体器件. 本文设计了一种通过将单层二硫化钼转移贴合在预先制备的周期性沟槽阵列上, 形成一维声子晶体的方案. 有限元分析表明, 这种声子晶体在MHz 范围存在声子能带结构, 可以实现对声波传播的控制. 我们可以通过改变结构参数, 或者通过改变施加在栅电极上的电压, 对能带进行调控. 这种结构为开发基于二维材料的纳米尺度的声子晶体器件提供了可能性.     

光致声波及其应用

着重讨论了光致声波的四种机理：电致伸缩机理、热膨胀机理、汽化有理和光击穿机理。概略地介绍了光致声波的检测方法和可能应用于材料的无损评价和介质中某些参数的测量以及海洋中的声探测等领域。由于光致声波具有非接触的特点，可应用于一些特殊环境而更具有广阔的发展前景。最后提出了迫切需要研究解决的光声转换效率和检测器件灵敏度的问题。     

Transparent and Ultra-lightweight Design for Ultra-Broadband Asymmetric Transmission of Airborne Sound

Acoustic one-way manipulations have recently attracted significant attention due to the deep implications in many diverse fields such as biomedical imaging and treatment.However,the previous mechanisms of asymmetric manipulation of airborne sound need to use elaborate heavyweight structures and only work in certain frequency ranges.We propose a mechanism for designing an ultra-lightweight and optically transparent structure with asymmetric transmission property for normally incident plane waves.Instead of fabricating solids into complicated artificial structures with limited bandwidth and heavy weight,we simply use xenon to fill a spatial region of asymmetric shape which allows the incident plane wave to pass along one direction while reflecting the reversed wave regardless of frequency.We demonstrate both analytically and numerically its effectiveness of producing highly-asymmetric transmission within an ultra-broad band.Our design offers new possibility for the design of one-way devices and may have far-reaching impact on various scenarios such as noise control.     

High-efficiency unidirectional wavefront manipulation for broadband airborne sound with a planar device

In the past decade, one-way manipulation of sound has attracted rapidly growing attention with application potentials in a plethora of scenarios ranging from ultrasound imaging to noise control. Here we propose a design of a planar device capable of unidirectionally harnessing the transmitted wavefront for broadband airborne sound. Our mechanism is to use the broken spatial symmetry to give rise to different critical angles for plane waves incident along opposite directions. Along the positive direction, the incoming sound is allowed to pass with high efficiency and be arbitrarily molded into the desired shape while any reversed wave undergoes a total reflection. We analytically derive the working bandwidth and incident angle range, and present a practical implementation of our strategy. The performance of our proposed device is demonstrated both theoretically and numerically via distinct examples of production of broadband anomalous refraction, acoustic focusing and non-diffractive beams for forward transmitted wave while virtually blocking the reversed waves. Bearing advantages of simple design, planar profile, broad bandwidth and high efficiency, our design opens the possibility for novel one-way acoustic device and may have important impact on diverse applications in need of special control of airborne sound.     

基于Rayleigh-Bloch模式的单层结构弯曲声波导

基于一维声栅中的Rayleigh-Bloch(RB)模式基本特点,设计了一种单层结构弯曲声波导.利用有限元方法从时域和频域两方面验证了弯曲声波导的有效性,RB模式波可以沿着波导的弯曲界面传播.研究发现,由于采用了环形结构基本单元,在该波导中存在两种传播模式,分别对应能量局域在单元间(模式-1)和单元内部(模式-2)两种情况.其中,模式-2声传输效果更佳,几乎可实现无损传输.时域研究中分别采用了调制脉冲和高斯脉冲两种信号形式,分析了它们在弯曲声波导中的传输过程.由于波导中只允许RB模式波传播,因此对于宽频信号来说,可起到滤波的效果.并且,不同模式(频率)的信号会出现在声波导的不同位置,所得结果对于声波定向传输、声探测与识别等研究具有理论与应用价值.     

Controllably asymmetric beam splitting via gap-induced diffraction channel transition in dual-layer binary metagratings

In this work, we designed and studied a feasible dual-layer binary metagrating, which can realize controllable asymmetric transmission and beam splitting with nearly perfect performance. Owing to ingenious geometry configuration, only one meta-atom is required to design for the metagrating system. By simply controlling air gap between dual-layer metagratings, high-efficiency beam splitting can be well switched from asymmetric transmission to symmetric transmission. The working principle lies on gap-induced diffraction channel transition for incident waves from opposite directions. The asymmetric/symmetric transmission can work in a certain frequency band and a wide incident range. Compared with previous methods using acoustic metasurfaces, our approach has the advantages of simple design and tunable property and shows promise for applications in wavefront manipulation, noise control and one-way propagation.     

柱面波对多层球的轴向声辐射力

在理论和数值上研究柱面波对多层球的声辐射力.基于声波的散射理论，得到声辐射力的解析解，并给出数值仿真.结果表明：在特定的ka和kr₀处，柱面行波的辐射力可以是负值（k是波数，a是多层球的半径，r₀是多层球到声源的距离）.随着kr₀增加到无穷大，仿真结果退化为平面波的情形.对双层球而言，每层的相对厚度影响曲线共振峰的大小和位置，但对三层球而言没有显著影响.当最内层的介质换成空气时，由于声阻抗差异较大，共振峰更加明显.该研究可以为研发新一代单行波声束声学镊子提供理论指导，该技术在生物医学超声和材料科学领域有广泛的应用.     

双层周期加肋有限长圆柱壳声散射精细特征研究

研究了双层周期性加肋有限长圆柱壳在水中的声散射特性. 壳体振动用薄壳理论的Donnell 方程描述,环肋振动用相互独立的薄板纯弯曲振动和平面应力状态下的振动方程描述,忽略弦间流体对环肋轴向力的作用. 数值计算给出远场收发合置情况下的周向目标强度和角度-频率谱图,并据此进行机理分析. 计算结果表明远场散射声场中除壳体弹性贡献外,弦间流体以及环肋与内外壳的相互作用对散射声场的贡献也是很重要的,并且在角度-频率谱中出现了舷间流体引起的流体附加波以及周期环肋引起的Bragg散射等回波精细特征,其中流体附加波是双层加肋圆柱壳声散射最重要的散射精细特征,是以往单层圆柱壳声散射所不具有的现象. 最后通过实验对理论推导进行了验证,实验与理论基本符合. 关键词： 声散射 圆柱壳 环肋 流体附加波     

Broadband terahertz ultrasonic transducer based on a laser-driven piezoelectric semiconductor superlattice

Spectral characteristics of laser-generated acoustic waves in an InGaN/GaN superlattice structure are studied at room temperature. Acoustic vibrations in the structure are excited with a femtosecond laser pulse and detected via transmission of a delayed probe pulse. Seven acoustic modes of the superlattice are detected, with frequencies spanning a range from 0.36 to 2.5 THz. Acoustic waves up to ∼2 THz in frequency are not significantly attenuated within the transducer which indicates excellent interface quality of the superlattice. The findings hold promise for broadband THz acoustic spectroscopy.     

基于蜷曲空间结构的近零折射率声聚焦透镜

研究基于蜷曲空间结构的近零折射率声聚焦透镜.根据近零折射率材料的声波方向选择机理,采用蜷曲空间结构为基本单元进行排列,设计具有特定入射与出射界面的几何结构,对透射声波的出射方向进行调控,实现了平面声波与柱面声波的聚焦效应,并深入讨论了透镜内部刚性散射体对声聚焦性能的影响.在此基础上,改变近零折射率透镜的出射界面,可以精确调控声波阵面的形状与方向.该类型透镜具有单一的单元结构、高聚焦性能及高鲁棒性等优点.研究结果为设计新型近零折射率声聚焦透镜提供了理论指导与实验参考,同时也为研究声波阵面的调控提供了新思路.     

Acoustic wavefront imaging

We introduce a new class of experiments which provide graphic insights into the propagation of acoustic waves in anisotropic media. Simply stated, we have devised a means of observing the expanding acoustic wavefront from a point disturbance in a solid. The data may be viewed as a movie or a series of snapshots. The observed wavefronts represent the group-velocity surfaces of acoustic waves, which reflect the basic elastic anisotropy of the solid. The technique has been applied to coherent acoustic waves with frequencies in the megahertz range (at ambient temperatures) and to incoherent heat pulses in the hundred-gigahertz range (at liquid-helium temperatures). In this article, we first provide a pedagogical introduction to wave propagation in elastically anisotropic media, reviewing some early methods for visualizing acoustic waves. Next, we describe the “acoustic wavefront imaging” method and give representative results in crystals and composite materials. Finally, we show how this method relates to recent advances in phonon imaging and internal diffraction of ultrasound.